什么是802.1q协议

本文深入解析了VLAN的概念及其在不同类型的交换机接口(Access、Trunk、Hybrid)间的实现原理。同时介绍了802.1q协议在多厂商兼容中的作用,以及数据帧如何在不同接口间转发。

欢迎来到东用知识小课堂!

1.VLAN

VLAN全称:Virtual Local Area Network(虚拟局域网),是将一个物理的LAN在逻辑上划分成多个广播域的通信技术。在数据帧的SMAC字段后添加VLAN标签字段,基于接口、IP、MAC或协议,对需要进行分割广播域的流量进行标记,大多数情况下都使用基于接口的方法划分VLAN。

其中的VID字段就是标记字段,交换机接口的PVID属性用于对数据帧的该字段进行标记,缺省状态下,交换机所有接口PVID=1。

2.802.1q协议

802.1q协议将交换机的物理接口分为三种类型:Access、Trunk、Hybrid。

这三种接口对应的功能各有不同,大家平时最常用的可能就是Access、Trunk接口,VLAN是网络的基础,在交换机上传输的报文流量有两个方向:入方向(inbound)、出方向(outbound),交换机接口对报文的不同处理方式也是根据流量的方向来决定的。

接下来我们就以PEC系列工业级交换机为例,来给大家详细讲解一下

一台交换机收到一个数据帧,需要判断其属于哪一个vlan有两种方法:

1).让数据帧带上VLAN Tag,通过识别Tag得知所属VLAN。

2).给交换机一张表,表里记录源地址与VLAN的对应关系,通过看源地址得知所属VLAN。

更为常见的方法是带tag,也就是"帧标记"。

一台交换机如果需要识别其它交换机打上的标记,这就涉及到了多厂商兼容问题。802.1q是IEEE组织定义的帧标记策略,是一个公有的标准。

3.数据帧在Access接口之间转发的过程

当Access在inbound方向收到报文时:

查看是否携带Tag,如果携带,查看是否与自己的PVID相同,相同则接收转发报文,不同则丢弃报文;

如果不携带TAG,则直接打上自己的PVID作为TAG。

Access接口在inbound方向收到报文时,进行inbound(入方向)时的处理流程,当Access接口在outbound(出方向)方向接收到报文时,进行outbound时的处理流程。其他两个接口虽然处理方式不同,但也是根据inbound流程和outbound流程来决定最终对报文进行怎样的处理。

4.数据帧在Trunk接口之间转发的过程

只有当inbound方向的流量才会被trunk接口打上PVID标签,同样的,也只有outbound方向的流量才会被trunk接口剥离PVID的标签。

5.标题数据帧在Hybrid接口之间转发的过程

Hybrid是我们实际运用最少,也是大多数人觉得最难理解的接口。它可以基于两种方式加入VLAN,一种是Untagged、另一种是Tagged。

Hybrid接口属于写入Untagged、Tagged列表中的所有VLAN,会允许这些VLAN通过。

tagged列表的作用:允许该列表中的VLAN通过接口,outbound方向收到含有该列表中标签的报文时不剥离标签。

untagged列表的作用:允许该列表中的VLAN通过接口,outbound方向收到含有该列表中标签的报文时剥离标签。

与Access、Trunk接口相同,Hybrid接口一样是inbound(入方向)打标签,outbound(出方向)剥离标签,只不过在outbound方向不根据PVID对标签进行剥离,也可以选择不剥离标签,且可以配置多个Tagged/Untagged VLAN,Hybrid接口同时具有Access口和Trunk口的特性,十分灵活,可适用于各种场景。

好了!今天的东用知识小课堂到这里就结束了,大家如果还有疑问的话,可以在下方留言或者私信给我们,我们下期再见!

<think>我们正在讨论802.1Q协议(VLAN标签协议),根据用户提供的引用内容和之前关于802.1D的讨论,需要详细解释802.1Q。 引用[1]和[2]提供了关于802.1Q的基本信息:它是IEEE定义的VLAN标准协议,通过在以太网帧中插入一个VLAN标签(Tag)来实现虚拟局域网。 我们将从以下几个方面进行详细介绍: 1. 802.1Q协议概述 2. VLAN标签(Tag)的结构 3. 802.1Q帧的封装格式 4. VLAN ID的范围 5. 802.1Q的工作原理(包括处理流程) 6. 应用场景 7. 相关配置示例(如果需要) 8.802.1D(STP)的关系(因为之前讨论过STP,可以简要联系) 9. 生成相关问题 注意:用户之前的问题是关于802.1D(生成树协议),现在转向802.1Q(VLAN标签协议),两者都是二层网络协议,但功能不同。 根据引用[2],VLAN标签的结构包含4个字段,其中VID(VLAN ID)为12位,因此VLAN编号范围为0-4095,但有效VLAN ID为1-4094。 我们将按照以下结构组织回答: ### 一、802.1Q协议概述 - 定义:IEEE 802.1Q是虚拟桥接局域网(Virtual Bridged Local Area Networks)的标准,定义了VLAN的实现方式。 - 目的:在同一个物理网络基础设施上创建多个独立的逻辑网络(VLAN),实现广播域的隔离。 ### 二、VLAN标签(Tag)结构 详细拆解标签的4个字段(共4字节): 1. TPID(Tag Protocol Identifier):16位,固定值0x8100,表示这是一个802.1Q标签帧。 2. PCP(Priority Code Point):3位,用于优先级(IEEE 802.1p优先级)。 3. DEI(Drop Eligible Indicator):1位,用于标识在拥塞时是否可丢弃(原CFI位演化而来)。 4. VID(VLAN Identifier):12位,VLAN ID,范围0-4095,其中0和4095为保留值,有效范围1-4094。 ### 三、802.1Q帧格式 对比标准以太网帧(untagged frame)和802.1Q帧(tagged frame): - 标准以太网帧:目的MAC(6字节)+ 源MAC(6字节)+ 类型/长度(2字节)+ 数据(46-1500字节)+ FCS(4字节) - 802.1Q帧:目的MAC(6字节)+ 源MAC(6字节)+ **TPID(2字节)** + **PCP+DEI+VID(2字节)** + 类型/长度(2字节)+ 数据 + FCS(重新计算) 注意:插入标签后,帧长度增加4字节,因此数据部分最大为1500字节时,整个帧最大为1522字节(超过传统以太网的1518字节),需要支持巨型帧(jumbo frame)或者由设备自动处理。 ### 四、VLAN ID的有效范围 - 0:表示优先级帧,不携带VLAN ID,用于802.1p优先级操作。 - 1-4094:有效VLAN ID。 - 4095:保留。 ### 五、802.1Q工作原理 1. **入口处理(Ingress Processing)**: - 当交换机端口接收到一个数据帧,根据接收端口的配置(access、trunk等)决定是否添加VLAN标签。 - Access端口(接入端口):收到无标签帧,根据端口PVID(Port VLAN ID)打上标签;收到有标签帧通常丢弃(除非配置了VLAN映射)。 - Trunk端口(干道端口):收到无标签帧,根据PVID打标签;收到有标签帧则保留原有标签。 2. **交换转发**: - 根据帧的目的MAC地址和VLAN ID查询MAC地址表进行转发。 3. **出口处理(Egress Processing)**: - 根据发送端口的类型决定是否移除VLAN标签: - Access端口:移除标签,发送无标签帧。 - Trunk端口:保留标签发送(如果该端口允许该VLAN通过)。 ### 六、应用场景 - 广播域隔离:不同VLAN间广播流量相互隔离。 - 网络分段:提高安全性和管理灵活性。 - 服务质量(QoS):利用PCP字段实现流量优先级处理。 ### 七、与802.1D(STP)的关系 - 802.1D(STP)用于防止二层环路,而802.1Q用于实现VLAN。 - 在支持VLAN的网络中,STP可以运行在每个VLAN上(如PVST+),但经典STP(802.1D)只运行一个生成树实例(CST),将所有VLAN映射到同一个生成树。后续的RSTP/MSTP则支持多实例。 ### 八、配置示例(可选,华为设备) 如果需要,可以给出简单配置: ```bash # 创建VLAN [SW] vlan 10 [SW-vlan10] quit # 配置接口为Access模式并加入VLAN10 [SW] interface GigabitEthernet 0/0/1 [SW-GigabitEthernet0/0/1] port link-type access [SW-GigabitEthernet0/0/1] port default vlan 10 # 配置接口为Trunk模式,允许VLAN10通过 [SW] interface GigabitEthernet 0/0/24 [SW-GigabitEthernet0/0/24] port link-type trunk [SW-GigabitEthernet0/0/24] port trunk allow-pass vlan 10 ``` ### 九、生成相关问题 最后,按照要求生成相关问题。 </think>### 一、802.1Q协议核心解析 #### **1. 协议定位与功能** - **定义**:IEEE 802.1Q 是虚拟桥接局域网(Virtual Bridged Local Area Networks)的标准协议,用于实现 VLAN(虚拟局域网)技术[^1]。 - **核心目标**: - **逻辑网络隔离**:在单一物理网络基础设施上创建多个独立的广播域 - **帧标记(Tagging)**:通过插入 VLAN 标签(Tag)区分不同逻辑网络 - **资源共享**:允许不同 VLAN 共享交换机、路由器等物理设备[^1] #### **2. VLAN 标签结构** 标签共 **4 字节**(32 位),插入在以太网帧的源 MAC 地址和类型字段之间: ```mermaid graph LR A[目的MAC] --> B[源MAC] --> C[802.1Q Tag] --> D[类型/长度] --> E[数据] ``` 标签字段详解: | 字段名 | 比特数 | 功能描述 | |--------|--------|----------| | **TPID** | 16 bits | 标签协议标识符,固定值 **0x8100**(标识802.1Q帧) | | **PCP** | 3 bits | 优先级代码点(IEEE 802.1p),用于 QoS 流量分级 | | **DEI** | 1 bit | 丢弃合格指示器(原 CFI),标记可丢弃的帧 | | **VID** | 12 bits | VLAN ID,有效范围 **1-4094**(0 和 4095 保留)[^2] | #### **3. 帧格式变化** - **标准以太网帧**: $$ \text{DMAC(6)} + \text{SMAC(6)} + \text{Type(2)} + \text{Data(46-1500)} + \text{FCS(4)} $$ - **802.1Q 帧**: $$ \text{DMAC(6)} + \text{SMAC(6)} + \text{TPID(2)} + \text{PCP+DEI+VID(2)} + \text{Type(2)} + \text{Data} + \text{FCS(4)} $$ ⚠️ 标签插入导致帧长度增加 4 字节,需确保设备支持 **1522 字节** MTU[^2]。 --- ### 二、关键技术机制 #### **1. VLAN 端口类型** | 端口类型 | 处理逻辑 | 典型场景 | |----------|----------|----------| | **Access** | 接收无标签帧 → 打上 PVID 标签<br>发送时剥离标签 | 连接终端设备(PC/服务器) | | **Trunk** | 保留标签传输<br>仅允许配置的 VLAN 通过 | 交换机间互联 | | **Hybrid** | 可灵活配置标签保留/剥离 | 混合接入场景 | #### **2. 流量处理流程** 1. **入口处理**: - Access 端口:为无标签帧添加 **PVID** 标签 - Trunk 端口:校验 VLAN ID 是否在允许列表 2. **交换转发**:基于 **MAC 地址表 + VLAN ID** 决策 3. **出口处理**: - Access 端口:剥离标签后发送 - Trunk 端口:保留标签发送至对端交换机 #### **3. Native VLAN** - Trunk 端口的特殊 VLAN(默认 VLAN 1) - 处理逻辑:**无标签帧默认归属 Native VLAN** - 安全建议:修改默认值避免 VLAN 跳跃攻击 --- ### 三、与 802.1D(STP)的协同 #### **1. 依赖关系** - 802.1Q 依赖 802.1D 实现 **无环拓扑**: - 每个 VLAN 需运行独立生成树(如 PVST+) - 避免 VLAN 间流量形成环路 #### **2. BPDU 处理差异** | 协议 | BPDU 标签处理 | |----------|---------------| | 802.1D | 以 **Untagged 帧** 发送 | | 802.1Q | 携带 VLAN 标签传输 | ⚠️ 交换机需将 BPDU 映射到 Native VLAN 确保互通 --- ### 四、典型应用场景 1. **部门网络隔离** ```mermaid graph LR S[核心交换机] -- Trunk(VLAN10,20) --> A[接入交换机A] A --> |Access VLAN10| PC1[销售部PC] A --> |Access VLAN20| PC2[财务部PC] ``` - 销售部(VLAN10)与财务部(VLAN20)逻辑隔离 - 共享同一物理交换机[^1] 2. **跨交换机 VLAN 扩展** - Trunk 链路承载多个 VLAN 流量 - 避免为每个 VLAN 部署独立物理链路 --- ### 五、华为设备配置示例 ```bash # 创建 VLAN [SW] vlan batch 10 20 # 配置 Access 端口 [SW] interface GigabitEthernet 0/0/1 [SW-GigabitEthernet0/0/1] port link-type access [SW-GigabitEthernet0/0/1] port default vlan 10 # 配置 Trunk 端口 [SW] interface GigabitEthernet 0/0/24 [SW-GigabitEthernet0/0/24] port link-type trunk [SW-GigabitEthernet0/0/24] port trunk allow-pass vlan 10 20 ``` ---
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